EA009794B1

EA009794B1 - Термоэлектронный электрический преобразователь

Info

Publication number: EA009794B1
Application number: EA200600867A
Authority: EA
Inventors: Эдвин Д. Дэвис
Original assignee: Термокон, Инк.
Priority date: 2003-10-30
Filing date: 2003-10-30
Publication date: 2008-04-28
Also published as: US20060138895A1; EA200600867A1; PE20050856A1; US7129616B2; EP1678737A4; JP2007521788A; CA2543787A1; WO2005052983A1; TW200518158A; EA011967B1; IL175304A0; TNSN06118A1; AP2006003609A0; PA8616301A1; AR046349A1; CN1879190A; NZ546687A; NO20062001L; AU2003287280A1; EP1678737A1

Abstract

Термоэлектронный электрический преобразователь включает в себя лазер (374) увеличения выхода катода, работающий, с возможностью направления лазерного луча (376), для соударения с поверхностью эмиссии катодного эмиттера (321), для повышения выхода электронов катодного эмиттера (321). Лазер (374) увеличения выхода катода размещен, чтобы направлять лазерный луч (375) через отверстие (370) в аноде (306) или структуре мишени в направлении катодного эмиттера (321). Кольцо (380) отталкивания электронов предусмотрено на краю отверстия (370) в аноде (306) для уменьшения числа электронов, не попадающих на анод (306) и проходящих через отверстие (370) в аноде (306).

Description

Следовательно, цель настоящего изобретения заключается в обеспечении термоэлектронного преобразователя, имеющего улучшенные и/или усовершенствованные признаки по сравнению с ранее созданными или разработанными.

Дополнительная главная цель настоящего изобретения заключается в обеспечении термоэлектронного электрического преобразователя с повышенной эффективностью преобразования.

- 1 009794

Еще одна цель настоящего изобретения заключается в обеспечении улучшенного катода для термоэлектронного электрического преобразователя, имеющего увеличенный выход катода.

Еще одна цель настоящего изобретения заключается в обеспечении термоэлектронного электрического преобразователя, в котором катод бомбардируется лазером, для повышения эмиссионной способности катода.

Дополнительная цель изобретения заключается в обеспечении анода или мишени, предназначенных для захвата электронов, испускаемых из катода, при этом также содержащего лазерный катодный усилитель.

Вышеуказанные и другие цели настоящего изобретения, которые станут очевидными по мере описания, реализованы посредством термоэлектронного электрического преобразователя, имеющего корпусный элемент, катод внутри корпусного элемента, работающий при нагревании, чтобы функционировать в качестве источника электронов, и анод внутри корпусного элемента, работающий, чтобы принимать электроны, испускаемые из катода. Катодом может быть проводная решетка, имеющая провода, идущие по меньшей мере в двух направлениях, которые расположены перпендикулярно друг к другу. Заряженное первое фокусирующее кольцо находится в корпусном элементе между катодом и анодом и работает, чтобы направлять электроны, испускаемые катодом, через первое фокусирующее кольцо по пути к аноду. Заряженное второе фокусирующее кольцо находится в корпусном элементе между первым фокусирующим кольцом и анодом и работает, чтобы направлять электроны, испускаемые катодом, через второе фокусирующее кольцо по пути к аноду. Могут быть необходимы дополнительные фокусирующие кольца. Катод предпочтительно отстоит от анода на расстояние примерно от 4 мкм до примерно 5 см. Более предпочтительно, катод отстоит от анода на расстояние от 1 до 3 см. Лазер, работающий, чтобы соударять электроны (т.е. применять лазерный луч к электронам), размещен между катодом и анодом. Лазер соударяет электроны сразу перед тем, как они достигают анода. Лазер работает с возможностью обеспечения квантовой интерференции с электронами, так чтобы электроны легче захватывались анодом.

Катод может быть либо выполнен из твердого материала, либо сформирован из проводной решетки. При использовании конструкции проводной решетки она предпочтительно включает в себя по меньшей мере четыре слоя проводов. Дополнительно, каждый из слоев проводов имеет провода, идущие в различных направлениях относительно каждого из остальных слоев проводов, таким образом, проводная решетка катода включает в себя провода, идущие по меньшей мере в четырех различных направлениях. Эта конфигурация служит для того, чтобы значительно увеличить поверхность эмиссии катода.

Настоящее изобретение может быть альтернативно описано как термоэлектронный электрический преобразователь, имеющий корпусный элемент;

катод внутри корпусного элемента, работающий, когда нагревается, чтобы функционировать в качестве источника электронов;

анод внутри корпусного элемента, работающий, чтобы принимать электроны, излучаемые из катода, и лазер, работающий, чтобы соударять электроны между катодом и анодом.

Лазер, таким образом, обеспечивает квантовую интерференцию с электронами, так чтобы электроны легче захватывались анодом. Лазер работает, чтобы соударять электроны сразу перед тем, как они достигают анода. Лазер работает, чтобы соударять электроны не более чем в 2 мкм от того, как они достигают анода. Катод - это проводная решетка, имеющая провода, идущие по меньшей мере в двух направлениях, которые расположены перпендикулярно друг к другу. Катод отстоит от анода на расстояние примерно от 4 мкм до примерно 5 см.

катод внутри корпусного элемента, работающий, когда нагревается, чтобы функционировать в качестве источника электронов, и анод внутри корпусного элемента, работающий, чтобы принимать электроны, испускаемые из катода, который продолжается, как правило, вдоль направления движения, задающего направление от катода к аноду.

Катод имеет плоскую область поперечного сечения, перпендикулярную по отношению к направлению движения, катод имеет область поверхности эмиссии электронов для эмиссии электронов в направлении анода, и область поверхности эмиссии электронов по меньшей мере на 30% больше, чем плоская область поперечного сечения. Катод - это проводная решетка, имеющая провода, идущие по меньшей мере в двух направлениях, которые расположены поперечно друг к другу. Альтернативно или помимо этого, катод изгибается по меньшей мере в одном направлении, перпендикулярном направлению движения. Лазер размещен таким образом, чтобы функционировать для соударения электронов между катодом и анодом сразу перед тем, как они достигают анода. Предпочтительно, область поверхности эмиссии электронов по меньшей мере вдвое больше плоской области поперечного сечения. Более предпочтительно, область поверхности эмиссии электронов по меньшей мере вдвое больше плоской области поперечного сечения. Чем меньше диметр провода, тем больше поверхность эмиссии. Это является экспоненци

- 2 009794 альным отношением.

Настоящее изобретение также включает в себя использование лазера, размещенного, чтобы излучение попадало на катод при растеризации или пошаговом проходе вдоль поверхности эмиссии катода, с целью увеличения выхода электронов, испускаемых из катода. Лазер может быть расположен за анодом или мишенью и направлен на катод, и лазерный луч может испускаться через отверстие в мишени, чтобы падать на катод. Мишень или анод специально сконфигурирована, чтобы иметь отверстие, проходящее предпочтительно через свой центр, и предусмотрена, чтобы обеспечивать работу лазера.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение описывается подробно со ссылкой на следующие чертежи, на которых одинаковые позиции означают одинаковые элементы, из которых:

фиг. 1 - схематичное представление термоэлектронного электрического преобразователя из предшествующего уровня техники;

фиг. 2 - схематичное представление возбуждаемого лазером термоэлектронного электрического преобразователя из предшествующего уровня техники;

фиг. 3 - вид сбоку с деталями в поперечном сечении и схематичное представление термоэлектронного электрического преобразователя согласно настоящему изобретению;

фиг. 4 - вид сверху структуры проводной решетки, используемой для катода;

фиг. 5 - вид сбоку части структуры проводной решетки;

фиг. 6 - вид сбоку части альтернативной структуры проводной решетки;

фиг. 7 - схематичное представление сбоку, иллюстрирующее совокупность слоев в структуре проводной решетки;

фиг. 8 - упрощенный вид сбоку альтернативной структуры катода;

фиг. 9 - вид сбоку с деталями в поперечном сечении и схематичное представление термоэлектронного преобразователя согласно другому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 10 - практически схематичный вид спереди подсистемы мишени, используемой в варианте осуществления согласно фиг. 9.

фиг. 11 - практически схематичный вид сбоку подсистемы мишени согласно фиг. 10.

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения

Фиг. 1 и 2 показывают термоэлектронные электрические преобразователи из предшествующего уровня техники, показанные и описанные в патентах США № 4303845 и 4323808 соответственно, оба принадлежащих Эдвину Д. Дэвису (ΈΦνίπ Ό. Ωανίδ). автору настоящего изобретения, описания которых полностью включены в настоящий патент в качестве ссылки. Хотя работа обоих термоэлектронных преобразователей описана подробно в прилагаемых патентах, общий обзор принципов работы представлен в данном документе со ссылкой на фиг. 1 и 2. Это может обеспечить предпосылки, полезные для понимания настоящего изобретения.

Фиг. 1 показывает базовый термоэлектронный электрический преобразователь.

Фиг. 2 показывает возбуждаемый лазером термоэлектронный преобразователь. Работа обоих преобразователей очень похожа.

Со ссылкой на чертежи показан базовый термоэлектронный электрический преобразователь 10. Преобразователь 10 имеет протяженный внешний корпус 12 цилиндрической формы, оснащенный парой торцевых стенок 14 и 16, тем самым формируя закрытую камеру 18. Корпус 12 составлен из совокупности известных прочных непроводящих материалов, таких как, например, высокотемпературный пластик или керамика, тогда как торцевые стенки 14, 16 - это металлические пластины, к которым могут быть применимы электрические подключения. Элементы механически соединены друг с другом и герметично закрыты таким образом, чтобы камера 18 могла поддерживать вакуум и умеренно высокий электрический потенциал мог быть применен и поддерживался вдоль торцевых стенок 14 и 16.

Первая торцевая стенка 14 содержит фасонную катодную область 20, имеющую эмиссионное покрытие для эмиссии электронов, нанесенное на его внутреннюю поверхность, тогда как вторая торцевая стенка 16 сформирована как круглая, немного выпуклая поверхность, которая сначала монтируется в изолирующее кольцо 21, чтобы сформировать сборку, и все из них затем сопрягается с корпусом 12. При использовании торцевые стенки 14 и 16 функционируют, соответственно, как катодный вывод и собирающая пластина преобразователя 10. Между этими двумя стенами поток 22 электронов будет протекать практически вдоль оси симметрии цилиндрической камеры 18, начинающейся в катодной области 20 и заканчивающейся в собирающей пластине 16.

Кольцевидный фокусировочный элемент 24 концентрически размещен внутри камеры 18 в положении, соседнем с катодом 20. Дефлекторный элемент 26 концентрически размещен внутри камеры 18 в положении, соседнем с собирающей пластиной 16.

Между этими двумя элементами размещен индукционный блок 28, состоящий из винтовой индукционной катушки 30 и протяженного кольцевого магнита 32. Катушка 30 и магнит 32 концентрически размещены и занимают центральную область камеры 18. Ссылаясь кратко на схематичное представление фиг. 2, можно видеть относительное радиальное размещение различных элементов и блоков. Для ясности

- 3 009794 представления средство механического удержания указанных элементов и блоков, размещенных внутри, не включено ни в один из чертежей. Фокусировочный элемент 24 электрически подсоединен посредством соединительного провода 34 и герметично закрытого средства 36 подачи к внешнему источнику статического потенциала (не показан). Индукционная катушка 30 аналогично подсоединена посредством пары соединительных проводов 38 и 40 и пары средств 42 и 44 подачи к элементу внешней нагрузки, показанному просто как резистор 46.

Потенциалы, применяемые к различным элементам, не показаны в явном виде и не описываются подробно, поскольку они составляют хорошо известное и традиционное средство реализации связанных устройств потока электронов. Вкратце, рассматривая (традиционно) катодную область 20 в качестве уровня опорного напряжения, высокий положительный статический заряд применяется к собирающей пластине 16, и внешняя схема, содержащая этот источник напряжения, завершается посредством подключения ее отрицательной стороны к катоду 20. Этот примененный высокий положительный статический заряд вызывает ускорение потока 22 электронов, который исходит из катодной области 20, в направлении собирающей пластины 16 с амплитудой, непосредственно зависящей от амплитуды примененного высокого статического заряда. Электроны падают на собирающую пластину 16 со скоростью, достаточной, чтобы вызвать определенную величину эффекта рикошета. Дефлекторный элемент 26 сконфигурирован и размещен, чтобы не допустить достижения этими рикошетными электронами основной секции преобразователя, и электрические подключения (не показаны) применяются к ним при необходимости. Отрицательное напряжение от низкого до среднего уровня применяется к фокусировочному элементу 24 для фокусировки потока 22 электронов в узком пучке. При работе источник 48 тепла (который может быть получен из различных источников, таких как горение ископаемого топлива, устройств на солнечной энергии, атомных устройств, обменников атомных отходов и теплообменников от существующих атомных операций) используется для нагревания эмиссионного покрытия для эмиссии электронов на катоде 20, тем самым выпаривая множество электронов. Высвобождаемые электроны фокусируются в узком пучке посредством фокусировочного элемента 24 и ускоряются в направлении собирающей пластины 16. При проходе через индукционный блок 28 электроны попадают под действие магнитного поля, генерируемого магнитом 32, и выполняют интерактивное движение, которое вызывает ЭДС, индуцированную в витках индукционной катушки 30. Фактически эта индуцированная ЭДС является суммой большого числа отдельных электронов, осуществляющих небольшие кольцевые токовые контуры, тем самым создавая, соответственно, большое число малых ЭДС в каждой намотке катушки 30. Рассматриваемое в целом выходное напряжение преобразователя является пропорциональным скорости перемещаемых электронов, а выходной ток зависит от размера и температуры источника электронов. Механизм индуцированной ЭДС может быть объяснен в терминах силы Лоренца, действующей на электрон, имеющий начальную линейную скорость, когда он входит в практически однородное магнитное поле, размещенное ортогонально скорости электронов. В соответствующем образом сконфигурированном устройстве получается траектория электронов по спирали (не показана), что вырабатывает требуемую чистую скорость изменения магнитного потока, как требуется по закону Фарадея, чтобы сгенерировать индуцированную ЭДС.

Claims

1. Термоэлектронный электрический преобразователь, содержащий корпусный элемент;

катод в упомянутом корпусном элементе, имеющий катодный эмиттер, работающий, когда нагревается, чтобы служить в качестве источника электронов;

структуру мишени в корпусном элементе, содержащую анод, работающий, чтобы принимать электроны, испускаемые из катодного эмиттера; и устройство повышения выхода катода, работающее для повышения энергии возбуждения электронов, размещенное в упомянутом катодном эмиттере и отличающееся тем, что указанное устройство повышения выхода катода содержит лазер катодного усилителя, размещенный с возможностью направления лазерного луча для соударения с поверхностью эмиссии упомянутого катодного эмиттера.

2. Термоэлектронный электрический преобразователь по п.1, в котором упомянутый лазер катодного усилителя размещен внутри упомянутого корпусного элемента.

3. Термоэлектронный электрический преобразователь по пп.1 и 2, где указанное устройство повышения выхода катода содержит лазер катодного усилителя, который управляется устройством растеризации, работающим, чтобы обусловливать развертку лазерного луча поперек, по существу, всей упомянутой поверхности эмиссии упомянутого катода.

4. Термоэлектронный электрический преобразователь по пп.1-3, в котором упомянутый катод размещен на первой стороне упомянутого анода, а упомянутый лазер катодного усилителя размещен на второй стороне упомянутого анода, противоположной упомянутой первой стороне.

5. Термоэлектронный электрический преобразователь по пп.1-4, в котором упомянутый анод имеет отверстие, по существу, в центре указанного анода, чтобы дать возможность лазерному лучу, выходящему из упомянутого лазера катодного усилителя, проходить через него.

6. Термоэлектронный электрический преобразователь по пп.1-5, в котором упомянутая структура мишени дополнительно содержит кольцо отталкивания электронов, размещенное в отверстии в упомянутом аноде, при этом упомянутое кольцо отталкивания электронов имеет отверстие.

7. Термоэлектронный электрический преобразователь по п.6, в котором упомянутое кольцо отталкивания электронов присоединено к упомянутому аноду посредством электрического изолирующего

- 9 009794 кольца, размещенного на краю упомянутого отверстия в упомянутом аноде, и упомянутое кольцо отталкивания электронов оперативно подсоединено к источнику, работающему, чтобы прикладывать отрицательный заряд на упомянутое кольцо отталкивания электронов.

8. Термоэлектронный электрический преобразователь по пп.1-7, дополнительно содержащий по меньшей мере один электрет, размещенный в упомянутом корпусном элементе и работающий, чтобы захватывать паразитные электроны, присутствующие в упомянутом корпусном элементе.

9. Термоэлектронный электрический преобразователь по пп.6 и 8, в котором упомянутая структура мишени дополнительно содержит кольцо с большим статическим зарядом, размещенное по внешнему периметру упомянутого анода.

10. Термоэлектронный электрический преобразователь по п.9, в котором упомянутый анод и упомянутое кольцо с большим статическим зарядом соединены посредством внутреннего изолирующего кольца и в котором кольцо с большим статическим зарядом имеет внешнее изолирующее кольцо, приспособленное для установки упомянутой структуры мишени в упомянутом корпусном элементе.